FIZYCZNE I MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI DREWNA

Wstęp:

Drewno jako materiał użytkowy stosowane jest od czasów, gdy człowiek zdał sobie sprawę z jego istnienia. Wraz z upływem czasu i postępem cywilizacyjnym poszerza swoje spektrum zastosowania. Po mimo rozwoju nowych technologii, zastosowania surowców syntetycznych, nadal jest surowcem wielce pożądanym. Próba zastąpienia drewna innymi surowcami wynika przede wszystkim z oszczędności tego cennego i deficytowego surowca. Dzięki swoim właściwościom mechaniczny , fizycznym jak również chemicznym jest materiałem niezastąpionym. Odpowiednie zapoznanie się z pewnymi właściwościami drewna pozwala człowiekowi od czasów starożytnych na twórcze i mądre jego zastosowanie.

Cel:

Celem pracy jest próba rzeczowej oceny wybranych fizycznych i mechanicznych właściwości drewna , a także powiązanie ich z poszczególnymi cechami strukturalnymi. Ogólne zapoznanie się z właściwościami drewna pozwoli także na pełniejsze zrozumienie jego piękna, ukaże wszechstronność jego zastosowania, jak również będzie stanowić kolejny argument przemawiający za wyjątkowością tego surowca.

Zakres pracy:

Praca ukazuje wpływ wody na właściwości drewna. Zawiera obraz niektórych cech fizycznych poszczególnych rodzajów drewna, wśród których są m.in.:

1.Gęstość drewna w różnych warunkach uwilgocenia,

2.Udział drewna późnego (dla gat. iglastych i pierścieniowo-naczyniowych),

3.Udział substancji drzewnej,

4.Porowatość drewna,

5.Wilgotność względną, bezwzględną i maksymalną drewna,

6.Skurcz całkowity i jednostkowy,

7.Współczynnik pęcznienia jednostkowego,

8.Wskaźnik nasycenia drewna powietrznie suchego,

9.Wilgotnośc maksymalną.

W pracy zawarto także niektóre właściwości mechaniczne do których należą:

1.Wytrzymałość na zginanie statyczne,

2.Wytrzymalość na ściskanie wzdłuż włókien przy danej wilgotności

3.Udarność.

Metodyka pracy:

Materiałem empirycznym użytym do badań było siedem próbek drewna o zbliżonych wymiarach (2cm*2cm*3cm), różnych gatunków drzew. Były to: Sosna zwyczajna (Pinus sylwestris) w dwóch formach: wąskosłoista (So w) i szerokosłoista (So sz),Jodła pospolita (Picea abies), Dąb (Quercus sp.), Buk (Fagus sylwatica), Brzoza (Betula sp.), Topola (Populus sp.).

Dla poszczególnych próbek za pomocą suwmiarki pomierzono dokładne wymiary, na podstawie których obliczono dla różnego stopnia uwilgocenia:

-objętość próbek

-gęstość próbek

-skurcz całkowity i jednostkowy

-pęcznienie jednostkowe i całkowite

Zmierzono także za pomocą wagi technicznej ciężar objętościowy próbek w różnym stanie nawilgocenia. Pozwoliło to na obliczenie wilgotności względnej i bezwzględnej badanych próbek dla: drewna powietrznie suchego, oraz maksymalnie wilgotnego.

Dla próbek obliczono także średnią szerokość słoja, a dla gatunków iglastych oraz pierścieniowo-naczyniowych także udział drewna późnego

Obliczono także udział substancji drzewnej na podstawie gęstości drewna absolutnie suchego i wyrażono w procentach ogólnej objętości próbki. Na tej podstawie obliczono także porowatość drewna.

Do badań cech mechanicznych drewna (zginanie statyczne i udarność) posłużyły próbki drewna o zbliżonych wymiarach (2cm*2cm*30cm),takich gat. jak powyższe. Próbki pomierzono suwmiarką oraz zważono na wadze technicznej. Następnie poddano próbom niszczącym i odczytano wyniki.

Wyniki:

Wyniki dotyczące właściwości fizycznych badanych próbek zawierają tabele od 1-5.

1-Tabela zawiera informacje dotyczące drewna powietrznie suchego.

Zauważono różnice w wartościach gęstości drewna powietrznie suchego. największą gęstością charakteryzuje się Db (0,74 g/cm3) następnie Bk i Brz (oscylacja wokół 0,65g/cm3), najmniejszą natomiast gęstością charakteryzuje się Jd i Os (około 0,50g/cm3). Widzimy także, że najcięższą próbką okazał się Db(8,381 g), najlżejszą natomiast Jd (5,490 ).

Największą objętością natomiast charakteryzowała się Sow (11,98), najmniejszą natomiast Bk (11,29). Pozostałe objętości oscylowały wokół 11,5 cm3.

Tabela zawiera także informacje na temat średniej szerokości słoja rocznego, oraz procentowego udziału drewna późnego. Okazało się, że najszerszym słojem charakteryzuje się drewno Jd (1,67mm) najmniejszym natomiast Sow (0,26mm). Pozostałe wartości są w okolicach 0,7mm.

Biorąc pod uwagę udział drewna późnego ,to największy jego udział zawiera Db (79,1%), następnie So (47,9%),Jd (43,1%) i Sow (30,8%).

2-Tabela zawiera informacje dotyczące drewna absolutnie suchego.

Zauważono że największy skurcz występuje w kierunku stycznym, a najmniejszy w kierunku promieniowym. Anizotropia dotyczy wszystkich gatunków. różne natomiast są jej wartości. I tak najmniejszą wartość skurczu jednostkowego w kierunku promieniowym wykazuje Jd i Tp (0,5% i 1,4%), największą natomiast Sow 2%, So, Brz, Bk 1,5.

W kierunku stycznym największy skurcz jednostkowy przypada na Bk 3,6%i Jd 3,5%,a najmniejszy na So 2,0%. W kierunku podłużnym skurcz jednostkowy występuje tylko u Jd i wynosi 0,3%. Pozostałe gatunki nie wykazały skurczu .

Biorąc pod uwagę skurcz objętościowy tendencja anizotropii jest taka sama.

Zauważono także, że skurcze obliczone na podstawie wzorów empirycznych wykazują prawie te same wartości ,nie mniej jednak bezpośrednio wskazują anizotropię. Tak mała rozbieżności wynikają m.in. z tego że do konstrukcji wzorów użyto dużego materiału empirycznego ,jak również ze sposobu ich budowy. Wzory te są skonstruowane w celu praktycznego ich zastosowania a nie do celów badawczych.

Tabela zawiera także wyniki dotyczące porowatości i zawartości substancji drzewnej. Największym udziałem substancji drzewnej, a co za tym idzie najmniejszą porowatością charakteryzuje się drewno Db 47%,53% ; Bk 43%,57%. Najmniejszym zaś udziałem substancji drzewnej i największą porowatością Jd 30%,70% ; Os 33%,67%.

Zauważono także , że największą wilgotność bezwzględną (Wbp) posiada Jd (10,2) a względną (Wwp)drewna powietrznie suchego posiada też Jd (9,2)

3-Tabela opisuje drewno maksymalnie uwilgotnione.

Próbki zostały poddane kąpieli wodnej do stanu maksymalnego uwilgotnienia. Wymiary i ciężar próbek zwiększyły się , proces ten jest odwrotnością suszenia w którym drewno zmniejszało swoje wymiary. Największym pęcznieniem charakteryzuje się kierunek styczny, niezależnie od gatunku. Największym pęcznieniem w kierunku promieniowym wykazały się próbki Sow 6,1%, Db 5,7%. Najmniej spęczniał Bk 1,0% i Tp 3,0%. W kierunku stycznym największe spęcznienie wykazał Os 14,6% Bk 14,4%, najmniej natomiast So 8,2% i Brz 10,4%. Kierunek podłużny cechuje się stosunkowo małym pęcznieniem(nie przekracza 2,0%). Największy jest dla Tp i Brz.

W tabeli obliczono także wskaźnik nasycenia drewna powietrznie suchego, który największy jest dla Db, a najmniejszy dla Tp.

Największą wilgotnością bezwzględną drewna maksymalnie uwilgotnionego charakteryzuje się Jd 185,4%, następnie Os 170,9% , najmniejszą zaś Db 94,9%.jeżeli chodzi o wilgotność względną to rozkład wartości jest podobny z tym, że oscyluje w granicach 48.7-65,0%.

4-Wilgotność maksymalną drewna przedstawia tabela 5.

Wilgotność maksymalna liczona za pomocą wilgotności higroskopijnej i za pomocą gęstości względnej przyjmuje te same wartości dla wszystkich gatunków. Z obu sposobów obliczeń wynika, że najwyższą wilgotność maksymalną posiada Tp 183,33%, najmniejszą zaś Db 76,19%. Niski poziom utrzymuje się także przy Buku i Dębie.

Wyniki dotyczące właściwości mechanicznych zawiera następna tabela

Wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien .

Zauważono ,że największą odpornością na działanie siły niszczącej posiada Db(ulega zniszczeniu po zadziałaniu ciśnienia 489Mpa, następnie Brz 482Mpa.Najmniejszą odporność posiada natomiast Topola 339Mpa i Bk 375Mpa.

Taką odpornośc wykazywały próbki przy danej wilgotności . po przeliczeniu ich do wartości z uwzględnieniem wilgotności 12% tendncja i uszeregowanie pozostało takie same lecz wartości uległy zmniejszeniu.

Wytrzymałośc statyczna i dynamiczna drewna.

Próbki wykazały zróżnicowanie w odporności na zginanie statyczne. Największą siłę niszczącą zniosła Sosna 400kg. Następnie Jd, Bk i Dąb ok. 300kg.

Najmniejszą zaś odporność wykazała Topola 100kg.

Najmniejszą odpornością w badaniu udarności wykazały :Topola 21*10000KJ/m2, Db 41*10000KJ/m2. Największą zaś Grab 121,02KJ/m2 i Dąb 114,33Kpa.

Dyskusja:

Uzyskane w pracy wyniki odbiegają nieco od danych zawartych w literaturze. Niektóre z wyników nawet dość znacznie. Przyczyn tego jest bardzo wiele. Jako kilka z nich można przytoczyć niedokładność pomiarową, bardzo mały materiał empiryczny, brak uśrednienia wyników itp.

Analizując wartości skurczu i pęcznienia jednostkowego zauważyliśmy po pierwsze pewną analogię do gęstości drewna w stanie absolutnie suchym, oraz pewną prawidłowość zmienności tej cechy w różnych kierunkach. W przypadku pierwszym sprawa wydaje się oczywista, jako że większa gęstość drewna w stanie absolutnie suchym świadczy o większej ilości substancji drzewnej. Substancja drzewna wchłaniając lub oddając wodę, zmienia swoje wymiary, a więc jej zawartość w drewnie w sposób „liniowy” wpływa na wartość skurczu i pęcznienia. W konfrontacji naszych wyników pęcznienia jednostkowego z danych wg Czulickiego otrzymaliśmy we wszystkich przypadkach wartości zbliżone, jedynie w przypadku Bk i Os wartości wydają się nieco zawyżone.

W przypadku drugim, aby wytłumaczyć tak dużą zmienność skurczu i pęcznienia drewna w różnych kierunkach należało by przeanalizować chemiczną submikroskopową i mikroskopową budowę drewna. Mała zmienność wymiarów wzdłuż włókien powodowana jest istnieniem silnych wiązań tlenowych występujących w miejscu łączenia się dwóch cząstek celulozy w łańcuchu celulozowym, które uniemożliwiają rozciąganie się łańcucha podczas wnikania wody. Ułożony równolegle, jak w budowie kryształu, łańcuchy w micellach uniemożliwiają rozciąganie się micelli, a te z kolei w przeważającej większości (ok. 70%) ułożone równolegle do osi włókna uniemożliwiają rozciąganie się włókien.

Różnica zmienności długości stycznej i promieniowej wynika z mikro, a nawet z makroskopowej budwy drewna. Chodzi tu przede wszystkim o różną ilość pęczniejącej substancji drzewnej, która w przekroju promieniowym pomniejszona jest o wartość wynikająca z mniejszej gęstości drewna wczesnego. Teoria ta wydaje się słuszna w przypadku gatunków iglastych i pierścieniowonaczyniowych, sytuacja jednak komplikuje się przy gatunkach rozpierzchłonaczyniowych, gdzie różnice powinny być znacznie mniejsze, a są identyczne. Niewystarczające wydaje się również rozwiązanie problemu w literaturze gdzie F. Krzysik w „Nauce o drewnie” traktuje drewno wczesne jako tłumiące pęcznienie w kierunku promieniowym.

Dla praktycznego zastosowania zmienności objętość drewna przy absorpcji i desorpcji wody wprowadzony został współczynnik pęcznienia jednostkowego, który w naszym przypadku zachowuje słuszność tylko dla drewna So i Jd których wilgotność higroskopijna wynosi wg Krzysika 28%. Dla innych gatunków zachowuje ona wartości przybliżone.

Wytrzymałość drewna na ściskanie, zginanie statyczne i udarność tej cechy jest niezwykle ważne przy projektowaniu drewnianych elementów konstrukcyjnych.

W przypadku wytrzymałości na ściskanie drewno charakteryzuje się znacznie mniejszą wytrzymałością od stali i betonu, wykazuje jednak znacznie większą odporność na rozciąganie. Wynika to z anizotropowej budowy drewna i dużej wytrzymałości celulozy przy rozciąganiu. Drewno jednak przy takim obciążeniu spotykamy rzadko, a częściej obciążane jest siłami ściskającymi (kopalniaki, pale nośne, słupy), zginającymi statycznie (krokwie) lub siłami działającymi dynamicznie. Dwie pozostałe cechy to wartości niezwykle cenne w drewnie, ponieważ drewno praktycznie nie wykazuje odkształcenia w zakresie działania siły w zakresie wartości krytycznych, a wykazuje pełną sprężystość.

Wnioski

1. surowiec drzewny z gatunków cięższych charakteryzuje się większym rozmiarem pęcznienia i jest to zależność praktycznie liniowa

2. przy układaniu parkietów, drewnianych podług itp. Należy zwrócić uwagę na obecny stan wilgotności drewna oraz możliwości zmiany wilgotności, a co za tym idzie rozmiarów projektowanej konstrukcji

3. przy projektowaniu posadzek należy płytki układać tak, aby wymiar podłużny był zgodny z podłużnym wymiarem pomieszczenia

4. wytrzymałość dynamiczna drewna na ściskanie jest w istotnym stopniu uzależniona od wilgotności drewna

5. najlepszym surowcem odpornym na ściskanie jest drewno dębowe, a jego wysokonaturalna trwałość sprawia, że jest to najlepszy gatunek na różnego rodzaju podpory i słupy przenoszące duże obciążenia

6. w elementach konstrukcyjnych, w których wymagana jest duża wytrzymałość w stosunku do małej masy najlepszym surowcem jest drewno pochodzące z sosny wąskosłoistej lub brzozy

7. brzoza jako gatunek o wytrzymałości wysoce konkurencyjnej z dębem zasługuje na większe zainteresowanie jako doskonały surowiec drzewny.

Literatura

1. F. Krzysik „nauka o drewnie”

2. K. Rogaliński i M. Kubiak „Użytkowanie Lasu” cz. 1 „Nauka o surowcu drzewnym”

3. Z. Laurow i M. Kubiak „Surowiec drzewny”

2

1

---